Глава 5. Теория Всего

Мечту Эйнштейна о создании единой теории Вселенной осуществить пока не удалось, но успехи последних лет показывают, что мы на верном пути. Конечно, вряд ли кто-то из ученых станет загадывать, когда придет удача, но большинство их них уверено, что когда-нибудь это случится.

Наша же цель отличается от той, которую поставил перед собой Эйнштейн. Всем ясно, что он опередил свое время, тогда еще многое оставалось непонятным. Ученые не знали многих типов элементарных частиц, не знали о симметрии в природе, о калибровочных теориях и очень мало о Большом взрыве, с которого все началось.

Б. Паркер.

Мечта Эйнштейна: В поисках единой теории строения Вселенной

Среди первоочередных нерешенных задач фундаментальной науки выделяется грандиозная проблема создания Теории Всего. Величайший в истории науки мыслитель Альберт Эйнштейн первым парадоксально соединил пространственно-временные свойства нашего континуума, открыв свою общую теорию относительности и наметив путь объединения всех известных взаимодействий с силами всемирного тяготения. В теории гравитации Эйнштейна вблизи любого материального тела или энергии искривляется само пространство-время, так что траектории частиц проходят по его рельефу, словно движутся в гравитационном поле.

В большинстве случаев противоречивые требования теории относительности и квантовой механики настолько взаимно малы, что ими легко пренебрегают. Однако и здесь есть исключения, например, при сильном искажении пространства-времени эффекты квантовой гравитации могут быть весьма существенны.

Прежде всего это касается объединения квантовой механики и теории относительности, например так, как это происходит в астрономической науке квантовой космологии. В идеале будущая объединенная теория должна связать между собой все силы мироздания с помощью единой системы уравнений или даже просто одного уравнения. Вся трудность в том, что теория относительности описывает общую структуру пространства-времени, а квантовая механика – поведение субатомных микрочастиц. Именно поэтому теории во многом противоречат друг другу.

После первого шага в объединении всех частиц и сил в квантовой теории поля, включающей квантовую механику и теорию относительности, будет необходимо как-то связать гравитацию и квантовую механику. Каждый специалист видит здесь свои пути развития, а нобелевский лауреат Стивен Вайнберг вообще считает, что только для разработки математического аппарата подобной теории понадобится не менее столетия.

Мемориал Альберта Эйнштейна (Национальная академия наук, Вашингтон, США)

Изначально в тех же струнных моделях видели очень весомого кандидата на долгожданную общую теорию всех частиц и сил. Однако после появления в начале семидесятых годов прошлого века теории сверхэлементарных кварков, быстро выросшей в целый раздел физики элементарных частиц, модель стрингов явно стала проигрывать объединяющей модели кварков. Но будущее научных поисков трудно прогнозируемо, и в конце прошлого века суперструнные построения в работах видных физиков-теоретиков обрели второе дыхание.

Как любил подчеркнуть выдающийся физик прошлого столетия Ричард Фейнман, главная причина в том, что мы пока не знаем всех законов природы, которые можно было бы свести в единую теорию.

Нерешенная задача создания Теории Всего порождает вполне законный вопрос: а есть ли вообще шансы хоть в очень далеком будущем, когда станут известны новые законы природы, создать математически стройную теорию, объединяющую не только все известные частицы и силы, но и все существующие физические теории? Ответ на него совсем неочевиден, его нельзя отдавать философам, которые могут все окончательно запутать.

Большинство физиков скромно рассматривают свои любимые теории как не более чем модели реальности, не претендующие на полноту ее описания.

Глава 6. М-браны миров

…Эти измерения свернуты в крохотные петли, спрятанные в ткани мироздания, а их причудливая геометрия может содержать ответ на некоторые из самых глубоких вопросов, когда-либо ставившихся учеными. Хотя некоторые из новых понятий являются трудноуловимыми, мы увидим, что их суть можно понять с помощью вполне осязаемых аналогий. А будучи понятыми, эти идеи дадут совершенно иной, поразительный взгляд на нашу Вселенную.

Б. Грин.

Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории

Выдающийся физик-теоретик Стивен Хокинг в своем научном бестселлере «Краткая история времени от Большого взрыва до черных дыр» так описывал квантовую реальность нашего мира:

Основными объектами микромира сегодня выступают не частицы, занимающие всего лишь точку в пространстве, а некие структуры вроде бесконечно тонких кусочков струны, не имеющих никаких измерений, кроме длины. Концы этих струн могут быть либо свободны (так называемые открытые струны), либо соединены друг с другом (замкнутые струны). Частица в каждый момент времени представляется одной точкой в пространстве. Следовательно, ее историю можно изобразить линией в пространстве-времени (мировая линия). Но струне в каждый момент времени отвечает линия в трехмерном пространстве. Следовательно, ее история в пространстве-времени изображается двумерной поверхностью, которая называется «мировым листом». (Любую точку на таком мировом листе можно задать двумя числами, одно из которых – время, а другое – положение точки на струне.) Мировой лист открытой струны представляет собой полосу, края которой отвечают путям концов струны в пространстве-времени. Мировой лист замкнутой струны – это цилиндр или трубка, сечением которой является окружность, отвечающая положению струны в определенный момент времени.

Из суперструнной теории следуют и удивительные космологические выводы, так, если проигрывать историю Вселенной назад, то кривизна пространства-времени будет расти. Однако она не станет бесконечной, как в традиционной сингулярности Большого взрыва, а просто в определенный момент времени ее значение достигнет максимума и снова начнет уменьшаться. Окружающий нас физический вакуум, будучи сугубо квантовым объектом, непрерывно флуктуирует, порождая топологические аномалии – «пузырьки пространства-времени», которые рождаются и гибнут. Внутри каждого такого пузырька можно ввести понятие собственного времени, направление которого фиксирует эволюцию материи внутри от момента рождения и до момента «схлопывания». Подавляющая доля таких пузырьков, несмотря на сверхмалое время жизни, внешне проявляет себя как замкнутые миниатюрные вселенные.

Струнная текстура реальности

Первично устойчивое состояние вакуума в результате флуктуации топологии (образования пузырька) стало неустойчивым по отношению к нашей вселенной. Эта неустойчивость приводит к тому, что внутри пузырька вакуум начинает изменять свойства, стремясь к новому устойчивому пределу. Этот процесс перестройки вакуума сопровождается гигантским выделением энергии, в результате чего пузырек-вселенная начинает расширяться с колоссальной скоростью. Этот процесс можно интерпретировать как своеобразный взрыв вакуума – взрыв пустоты!

Таким образом, теория струн устраняет главный парадокс в космологическом сценарии Большого взрыва, связанный с наличием изначальной сингулярности с бесконечными значениями плотности материи и энергии.

Моделируя историю Вселенной до точки Большого взрыва, физики надеются с помощью суперстринговых представлений сформулировать основные принципы, предопределяющие историю Вселенной и объясняющие природу изначальной сингулярности. Может быть, теория струн позволит как-то сгладить сингулярность точки Большого взрыва и зафиксировать начальные условия в ней или, как предвидят ученые, рассуждая о возможных сценариях развития теории струн, показать, что Вселенная вечно пульсирует.

Смогут ли суперструнные построения прояснить вопрос о рождении нашего мира, покажет будущее. Пока еще из двух различных областей науки, разделенных пропастью масштабов – физической космологии и физики элементарных частиц, – не поступало подтверждений или опровержений этой очень странной теории, где возникновение Вселенной чем-то напоминает раскручивание невообразимо малой суперструнной пружины, спрятанной до поры до времени в досингулярной эпохе эволюции мироздания. И здесь теория суперструн приводит нас к совершенно фантастическому образу квантовых мембран, плывущих в пространстве-времени иных измерений.

Конечно, даже развитому физико-математическому воображению теоретиков непросто в деталях представить, что многомерная мембрана нашей вселенной парит в еще более многомерном пространстве, как некое подобие гигантской медузы в безбрежном океане сверхпространства. В соответствии с мембранной моделью Вселенная перед Большим взрывом была почти идеальным зеркальным изображением самой себя после него. Бесконечно давно она была почти пуста: ее заполнял лишь невероятно разреженный хаотический газ из вещества и излучения. Но время шло, силы возрастали и стягивали материю воедино. Случайным образом материя скапливалась в некоторых участках пространства. Там ее плотность в конечном счете стала настолько высокой, что начали образовываться своеобразные гравитационные «провалы» пространства-времени. Вещество внутри таких областей оказывалось отрезанным от окружающего пространства, поскольку Вселенная разбивалась на обособленные части. В этой модели мироздания и сам Большой взрыв, возможно, был результатом соударения нашей и параллельной мембран.

Эта модель некоторым физикам кажется настолько привлекательной, что они отстаивают предположение о циклических мембранных столкновениях. Входя в контакт, эти вселенские мембраны как бы сжимаются в направлении, перпендикулярном направлению движения, а их кинетическая энергия преобразуется в материю и излучение. Это соударение двух, а может быть, и нескольких мембран и порождает феномен Большого взрыва.

После взрывного взаимодействия мембраны расходятся и начинают расширяться с убывающей скоростью. Материя Большого взрыва эволюционирует от стрингов до сверхскоплений галактик, порождая разум, который и открывает тайны мироздания. В циклической модели силы притяжения замедляют до остановки движение расходящихся мембран, которые снова начинают сближаться, расширяясь при этом с возрастающей скоростью.

И может быть, прав Стивен Хокинг, рассуждая в своей книге «Мир в ореховой скорлупке» о сущности суперструнных бран:

Что же находится в центре М-теории? Обнаружим ли мы там драконов (или что-то не менее странное), как на старых картах неисследованных земель? Прошлый опыт подсказывает, что каждый раз, когда наши наблюдения продвигаются в направлении меньших масштабов, мы обычно находим новые неожиданные явления. К началу ХХ века мы понимали функционирование природы в масштабах классической физики, которая хорошо работает от межзвездных расстояний до примерно сотой доли миллиметра. Классическая физика считала материю сплошной средой с такими свойствами, как упругость и вязкость, но стали появляться свидетельства того, что вещество не сплошное, а зернистое: оно состоит из строительных блоков, называемых атомами. Слово «атом» пришло из греческого языка и означает «неделимый», но вскоре обнаружилось, что атомы состоят из электронов, которые обращаются вокруг ядер, состоящих из протонов и нейтронов.

Образ вибрирующей струны, или мембраны, как фундаментального базиса всех элементарных частиц очень прост и понятен, но используемый математический аппарат слишком сложен. Пока еще детальное описание М-теории далеко не завершено, и, скорее всего, дальнейший прогресс здесь станет возможен после применения каких-то новых математических методов.

При низких энергиях М-теория описывается одиннадцатимерной супергравитацией. В этой теории есть множество трудно представимых многомерных мембран, но нет суперструн. Как же можно получить уже полюбившиеся нам суперструны? Можно свернуть одиннадцатимерную М-теорию на окружности малого радиуса для получения десятимерной теории. Тогда, если наша мембрана имела топологию тора, сворачивая одну из этих окружностей, мы получим замкнутую струну!